Cell Res | 上海科技大学刘冀珑团队揭示谷氨酰胺酶代谢纤维激活机制

谷氨酰胺酶催化谷氨酰胺代谢的第一步，将谷氨酰胺转化为谷氨酸，谷氨酸进入三羧酸循环。

2023年10月13日，上海科技大学刘冀珑团队（郭陈君为第一作者）在Cell Research（IF=44）在线发表题为“Structural basis for activation and filamentation of glutaminase”的研究论文，该研究揭示了谷氨酰胺酶活化和丝化的结构基础。

在人类中，谷氨酰胺酶由两个不同的基因GLS1和GLS2编码。GLS1可以选择性地拼接到肾谷氨酰胺酶A (KGA)和高活性谷氨酰胺酶异构体C (GAC)中。阴离子可进一步活化GAC。研究发现，GAC在体内和体外均能形成活性纤维。除葡萄糖外，谷氨酰胺是细胞的另一重要代谢物。谷氨酰胺酶，特别是GAC异构体，在各种癌症中高度过表达以利用谷氨酰胺。

序列比对显示，参与螺旋界面的氨基酸F355、F373、N375、F378、Q379和Q416在哺乳动物谷氨酰胺酶中高度保守。GAC四聚体包含4个Pi结合位点，它们位于二聚体-二聚体界面，包括激活环(AL)上的R317和K320，以及二聚体-二聚体界面上的R387、Y394′和K398′。序列比对显示，这些氨基酸在哺乳动物谷氨酰胺酶中高度保守。Pi结合位点包含多个带正电的氨基酸。这种结构特征为多价酸充分激活GAC提供了基础。

为了研究GAC丝化的功能意义及其与Pi的关系，研究人员设计了破坏GAC丝化界面的点突变。负染色电镜(EM)显示，Q416A破坏了GAC的丝化。然后对Q416A进行活性测定。在Apo状态和Pi结合状态下，Q416A的活性分别是野生型GAC的0.26倍和0.63倍。将纤维中的GAC四聚体与游离四聚体进行比较，发现与Pi结合的GAC四聚体构象发生了显著变化，RMSD均大于2 Å。为了避免混淆，作者将使用术语“GAC-PF四聚体”来专门指代与Pi结合的丝状GAC四聚体。

代表性模型的结合口袋的比较（图源自Cell Research ）

GAC-PF四聚体变为压缩形式，每个原聚体旋转5.6°。其次，对GAC-PF四聚体中每个原聚体的AL(残基308-334)进行重塑和稳定。AL是一个参与谷氨酰胺酶反应的动态长环，在大多数GAC结构中不存在。然而，在GAC-PF四聚体中，模型的b因子分析显示AL处于稳定状态。与DON抑制谷氨酰胺酶四聚体和通过破坏二聚体-二聚体界面形成的二聚体相比，GAC-PF四聚体的AL向催化核心呈现封闭构象，316-322环向内移动了~2 Å。

将GAC-PF四聚体与抑制剂结合的四聚体进行比较，发现天然活化剂Pi和抑制剂是GAC的拮抗竞争配体。一方面，Pi和抑制剂都与二聚体-二聚体界面结合。当两个四聚体对齐时，抑制剂和Pi的结合相互重叠;因此抑制剂的结合会产生空间位阻，直接限制Pi的结合和GAC的活化。结合位点的重叠也表明Pi和抑制剂不能在GAC中共存。另一方面，与Pi对AL的有序固定相比，抑制剂结合以不同的模式固定AL，使其远离催化活性位点，使催化反应不容易发生。

该研究利用冷冻温电镜和现有结构确定了Pi的结合位点，并提出了不同配体和GAC丝化调节GAC活性的模式和机制。在GAC-Pi四聚体中，AL是无序的，催化袋是敞开的。然而，当Pi结合的GAC形成纤维时，AL被稳定，并且口袋被重塑，从而产生高活性的GAC。当拮抗剂CB-839与GAC结合时，AL被固定在远离囊袋的地方，导致囊袋大开并抑制GAC。该研究提供了长期寻求的谷氨酰胺酶的激活机制，并显著推进了人们对谷氨酰胺酶的抑制机制和丝化的理解。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41422-023-00886-0

转自：“iNature”微信公众号

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